Axiallüfter oder Radiallüfter – wer kühlt besser?

Axiallüfter oder Radiallüfter – wer kühlt besser? (Bild: CUI)

Um ein elektronisches System mit Hilfe eines Luftstroms zu kühlen, kommt in der Regel entweder ein Axiallüfter oder ein Radiallüfter zum Einsatz. Die Frage ist nur, welche Lüfterbauform sich für die Bedürfnisse des Designs am besten eignet.

Tipps für die Wahl des richtigen Lüfters

Um ein elektronisches System mittels Luftstroms zu kühlen, können Entwickler auf Axial- und Radiallüfter zurückgreifen. Wenn es darum geht, die richtige Auswahl zu treffen, kommt es sehr stark auf die Anwendung und die Umgebung an. Zu beachten sind dabei unter anderem der zur Verfügung stehende Platz, Geräuschentwicklungen, EMI und ob der Einsatz in einer harschen Umgebung stattfindet. Dieser Beitrag gibt den Entwicklern die geeigneten Auswahlkriterien für die Lüfter-gestützte Entwärmung ihres Systems an die Hand.

Was sind Axiallüfter?

Ein herkömmlicher Axiallüfter weist eine motorisch angetriebene, schnell rotierende Zentralwelle (Achse) auf, auf der einige schräggestellte Schaufelblätter angebracht sind, die Luft ansaugen und sie in parallel zur Welle liegender Richtung wieder ausstoßen. Axiallüfter werden manchmal auch als Propellerlüfter bezeichnet, aber auch Bezeichnungen wie Röhren- oder Flügelradlüfter sind üblich. Dabei handelt es sich einfach um normale Axiallüfter, die sich in einen Luftkanal einbauen lassen (Bild 1).

Axiallüfter bewegen effektiv und effizient große Luftmengen, um einzelne Bauteile oder Maschinen zu kühlen oder ganze Räume zu belüften. Sie sind in fast jeder Größe erhältlich – vom Chipsatzkühler bis zum Raumlüfter. Je nach Größe benötigen sie auch nicht viel Strom für den Betrieb. Außerdem gibt es sie sowohl als Wechselstrom- wie auch als Gleichstrommodelle. Wechselstrombetriebene Lüfter haben in der Regel eine Betriebsspannung von über 100 V und werden mit Netzstrom betrieben. Gleichstrombetriebene Lüfter können eine viel niedrigere Betriebsspannung aufweisen (z. B. 3, 5, 12, 24 oder 48 V Gleichstrom), werden aber in der Regel über ein Netzteil oder Batterien betrieben.

Der Luftstrom, den Axiallüfter liefern, verfügt jedoch nur über einen geringen Druck. Diese Kombination aus niedrigem Druck und hohem Luftvolumenstrom ist gut geeignet für die Kühlung von einzelnen Bauteilen, kompletten Geräten und ganzen Räumen, da der Luftstrom gleichmäßig in einem definierten Bereich verteilt wird.

Bild 1: Herkömmliche Axiallüfter stoßen die angesaugte Luft parallel zum Einlass wieder aus.
Bild 1: Herkömmliche Axiallüfter stoßen die angesaugte Luft parallel zum Einlass wieder aus. (Bild: CUI)

Axiallüfter vs. Radiallüfter: Welcher Lüftertyp ist der richtige für Ihre Anwendung?

Die Wahl zwischen Axiallüftern und Radiallüftern ist entscheidend für ein effizientes Kühldesign Ihrer elektronischen Systeme. Diese Vergleichstabelle zeigt die Unterschiede zwischen den beiden Lüftertypen in Bezug auf Funktionsprinzip, Leistung, Anwendungsbereiche und vieles mehr. Erfahren Sie, welcher Lüftertyp für Ihre individuellen Anforderungen am besten geeignet ist und wie Sie das optimale Kühlsystem für Ihre elektronischen Geräte auswählen.

Axiallüfter vs. Radiallüfter: Welcher Lüftertyp ist der richtige für Ihre Anwendung?

Merkmal Axiallüfter Radiallüfter
Arbeitsprinzip Saugen Luft axial an und stoßen sie axial aus Saugen Luft radial an und stoßen sie radial aus
Luftstrom Hoher Luftvolumenstrom, niedriger Druck Niedriger Luftvolumenstrom, hoher Druck
Anwendungsbereiche Räume belüften, Allgemeine Kühlung Punktuelle Kühlung von heißeren Bauteilen
Betriebsspannung Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC)
Energieeffizienz Effizient, benötigen nicht viel Strom Benötigen mehr Strom für den Betrieb
Lautstärke In der Regel leiser als Radiallüfter Etwas lauter als Axiallüfter
EMI-Effekte Generieren weniger EMI als Radiallüfter Generieren mehr EMI als Axiallüfter
Platzbedarf Benötigen weniger Platz Benötigen mehr Platz
Einsatzumgebung Geeignet für normale Umgebungen Geeignet für raue und schmutzige Umgebungen
Richtwirkung Luft wird in Richtung des Einlasses ausgestoßen Luft wird in Richtung des Einlasses ausgestoßen
Anwendungsszenarien Allgemeine Belüftung, Raumkühlung, Chipkühlung Kühlung von Elektronikkomponenten, Laptops
Geräuschentwicklung Generell leiser Generell lauter
Lebensdauer Zuverlässig und langlebig Zuverlässig und langlebig

Häufige Anwendungen für Axiallüfter

Axiallüfter bewegen große Luftmengen effektiv und effizient und kommen häufig zum Einsatz, um sowohl kleine als auch große Räume zu kühlen. Sie können einzelne elektronische Geräte oder auch ganze Computerräume kühlen. Auch können sie in HLK-Anlagen, in Verbindung mit Klimaanlagenkondensatoren und Wärmetauschern oder zur punktuellen Kühlung in Industriesystemen Verwendung finden. Axiallüfter können auch als Abluftventilatoren eingesetzt werden.

Was sind Radiallüfter?

Radiallüfter werden manchmal auch als Radialventilatoren oder Zentrifugalgebläse bezeichnet. Sie verfügen über eine motorgetriebene Nabe mit sogenannten Impellern, welche die Luft in das Lüftergehäuse presst. Diese komprimierte Luft wird dann zu einem Auslass geleitet (Bild 2). Radialventilatoren stoßen die Luft in einem 90-Grad-Winkel (senkrecht) zum Lufteinlass aus. Die Radiallüfter setzen die Luft im Lüftergehäuse also unter Druck. Im Vergleich zu Axiallüftern erzeugen sie einen gleichmäßigen Luftstrom mit hohem Druck, bewegen jedoch geringere Luftmengen. Es gibt sie mit vorwärts oder rückwärts gekrümmten Impellern, die somit entweder die Luft herausblasen oder ansaugen. Radiallüfter stoßen die Luft aus einer Haube aus, wodurch sie einen bestimmten Bereich gezielt kühlen können. Dadurch eignen sie sich besser für die Kühlung eines bestimmten Bauteils eines Elektronikgerätes, das mehr Wärme erzeugt, wie z. B. ein MOSFET, ein DSP oder ein FPGA. Wie bei den Axiallüftern gibt es auch hier je nach Anwendung sowohl Modelle mit Wechselstrom- als auch mit Gleichstromantrieb. Radiallüfter benötigen aber in der Regel mehr Strom für den Betrieb als Axiallüfter. Sowohl Radial- als auch Axiallüfter erzeugen hörbare Geräusche und elektromagnetische Wellen, aber Radiallüfter sind etwas lauter als Axiallüfter. Da beide Lüfterkonzepte Elektromotoren verwenden, können die EMI-Effekte beider Modelle die Systemleistung bei empfindlichen Anwendungen beeinträchtigen.

Auch Radialgebläse sind in vielen verschiedenen Größen, Geschwindigkeiten und Bauformen erhältlich. Ihre Konstruktion ist zuverlässig und langlebig sowie im Betrieb nur schwer zu beschädigen. Durch die Kombination aus hohem Druck und geringer Luftmenge eignen sich Radiallüfter sehr gut für die Lenkung eines konzentrierten Luftstroms durch einen beengten Bereich, wie z. B. Kanäle oder Rohre, oder für Abluft- und Lüftungsanwendungen.

Bild 2: Radialventilatoren stoßen die Luft in einem Winkel von 90° zur Ansaugöffnung aus.
Bild 2: Radialventilatoren stoßen die Luft in einem Winkel von 90° zur Ansaugöffnung aus. (Bild: CUI)

Häufige Anwendungen für Radiallüfter

Aufgrund der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit ihrer Konstruktion lassen sich Radiallüfter in vielen Anwendungsszenarien einsetzen. Insbesondere funktionieren sie gut in rauen und schmutzigen Betriebsumgebungen, wo sie auf Partikel, Heißluft und Gase treffen. Da sie in der Regel in Luftkanälen oder Rohrleitungen eingesetzt werden, eignen sie sich gut für Klimaanlagen oder Trocknungssysteme, auch auf der kleineren Systemebene (Bild 3). In der Elektronik sind Radiallüfter häufig in kleinen Geräten wie Laptops integriert zu finden, da die Luft in einem Winkel von 90 Grad zum Einlasspunkt ausgestoßen wird, was zu einer höheren Richtwirkung führt.

Bild 3: Beispiel eines Zentrifugalgebläses in einem Luftröhrensystem.
Bild 3: Beispiel eines Zentrifugalgebläses in einem Luftröhrensystem. (Bild: CUI)

Interferenzen und Lärm durch Lüfter

Bei der Planung sollte sich der Entwickler frühzeitig Gedanken über Interferenzen machen. Alle Lüfter können elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen, entweder durch das Gebläse selbst (abgestrahlte EMI) oder durch die Stromkabel (leitungsgebundene EMI). Interferenzen können auch durch nicht abge-schirmte Magnetfelder (UMF) entstehen, die von den Motorma-gneten oder den Statorwicklungen ausgehen. Je nach Anwendung kann eine frühzeitige Berücksichtigung dieser Faktoren in der Entwurfsphase Zeit und Geld sparen. Gleichstrombetriebene Lüfter erzeugen in der Regel weniger EMI als wechselstrombetriebene Lüfter (Bild 4). Jeder in Betrieb befindliche Lüfter er-zeugt auch hörbare Geräusche, die je nach Verwendungszweck eine Rolle bei der Konstruktion spielen können. Die Geräusche
variieren je nach dem Anwendungsfall, der Platzierung in einem System, der Dichte der Komponenten, der bewegten Luftmenge, der Größe des Ventilators, der Art der verwendeten Lagertypen usw. Die Lager in einem Lüfter wirken sich nicht nur auf die Akustik aus, sondern können auch die Lebensdauer und die möglichen Anwendungsszenarien beeinflussen. Die akustischen Geräusche können oft durch eine bessere Platzierung des Lüfters, eine mechanische Isolierung oder die Verwendung von Lufteinlassgittern oder Auslassdiffusoren verringert werden. Im Allgemeinen gilt: Je größer die CFM (cubic feet per minute; analog: m3/min) oder die bewegte Luftmenge, desto höher ist die Geräuschentwicklung. Ein größerer Lüfter, der die gleiche CFM wie ein kleinerer Lüfter bewegt, ist jedoch tendenziell leiser. Auch hier gilt, dass Axiallüfter in der Regel leiser als Radialventilatoren sind.

Bild 4: Axiallüfter erzeugen in der Regel weniger Lärm als Radialgebläse.
Bild 4: Axiallüfter erzeugen in der Regel weniger Lärm als Radialgebläse. (Bild: CUI)

Vergleich von Axiallüftern und Radiallüftern

Alle Überlegungen zum Wärmemanagement von Systemen, die im laufenden Betrieb Wärme erzeugen, sollten bereits in der Entwurfsphase angestellt werden – insbesondere dann, wenn es sich um elektronische Systeme handelt. Dies steht im Einklang mit zeit- und kostensparenden Maßnahmen, die darauf abzielen, grundlegende Neukonstruktionen zu vermeiden. Es kann auch besonders hilfreich sein, aufgrund geplanter Komponentenverbesserungen während des Lebenszyklus eines Produkts oder Systems, die zusätzliche Wärme erzeugen können, thermische Überlegungen zu berücksichtigen. Ob ein Axiallüfter oder ein Radiallüfter als Kühllösung eingesetzt wird, hängt von mehreren Faktoren ab, die auf den Vor- und Nachteilen der jeweiligen Lüfterkonstruktion und den Anforderungen Ihres Systems basieren.

Wichtige Fragen für die Entscheidungsfindung

  • Wie groß ist der Raum, der zu kühlen ist?
  • Ist der Kühlbedarf konstant oder betriebsabhängig?
  • Wie viel Platz ist für das Kühlgerät bzw. den Lüfter vorgesehen?
  • Welche Leistung wird für den Betrieb des Kühlgeräts bzw. des Lüfters zur Verfügung stehen?
  • Wird das System in einer rauen Umgebung betrieben?
  • Wird das Design selbst Gase oder Partikel erzeugen?
  • Ist das System empfindlich gegenüber elektromagnetischen Emissionen?
  • Ist der erzeugte hörbare Geräuschpegel ein Problem?
  • In welcher Ausrichtung soll der Lüfter montiert werden?
  • Ist das Produkt für eine Anwendung gedacht, bei der es auf extreme Zuverlässigkeit ankommt?
  • Wie sieht der voraussichtliche Lebenszyklus des Produkts aus?
  • Sind Reparaturen / Nacharbeiten / Wartungen ein Faktor?

Schlussfolgerungen

Die Konvektionskühlung von Geräten, die unerwünschte Wärme erzeugen, lässt sich entweder mit Axiallüftern oder mit Radiallüftern effektiv handhaben. Beide Gerätetypen haben sich durch jahrelangen Einsatz und kontinuierliche Verbesserung in der Praxis bewährt. Aktuelle Konstruktionen beider Lüftertypen enthalten Materialien, die stärker, leichter und kostengünstiger sind als frühere Konstruktionen. Die Entscheidung für den einen oder den anderen Typ hängt einfach von den Anforderungen des Systems ab. CUI Devices bietet eine breite Palette von Gleichstrom-Axiallüftern und Radiallüftern mit einer Vielzahl von Baugrößen und unterschiedlichen Luftförderleistungen an.

Ryan SmootIngenieur bei CUI Devices

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